Оперативный спутниковый мониторинг «цветения» вод Балтийского моря
|
Введение 4
1. Физико-географическое описание Балтийского моря 6
1.1. Г еографическое положение 6
1.2. Метеорологические и гидрологические условия 7
1.3. Циклы цветения фитопланктона в Балтийском море 13
1.4. Концентрация хлорофилла «а» как основного показателя цветения 14
2. Материалы и методы исследования 16
2.1. Исходные данные 16
2.2. Методы исследования 17
3. «Цветение» вод Балтийского моря по данным спектрорадиометра MODIS и
сервиса Морской Службы Copernicus 20
3.1. Статистический анализ 20
3.1.1. Анализ первичных статистик 20
3.1.2. Анализ трендов временных рядов 22
3.1.3. Корреляционный анализ 30
3.2. Временной ход температуры и хлорофилла «а» за 2002-2022 годы 38
3.3. Анализ пространственного распределения полей температуры
поверхности Балтийского моря и хлорофилла «а» с апреля по октябрь за 2020 и 2021 года 44
3.4. Диаграмма Хофмоллера 63
Заключение 66
Список литературы 69
1. Физико-географическое описание Балтийского моря 6
1.1. Г еографическое положение 6
1.2. Метеорологические и гидрологические условия 7
1.3. Циклы цветения фитопланктона в Балтийском море 13
1.4. Концентрация хлорофилла «а» как основного показателя цветения 14
2. Материалы и методы исследования 16
2.1. Исходные данные 16
2.2. Методы исследования 17
3. «Цветение» вод Балтийского моря по данным спектрорадиометра MODIS и
сервиса Морской Службы Copernicus 20
3.1. Статистический анализ 20
3.1.1. Анализ первичных статистик 20
3.1.2. Анализ трендов временных рядов 22
3.1.3. Корреляционный анализ 30
3.2. Временной ход температуры и хлорофилла «а» за 2002-2022 годы 38
3.3. Анализ пространственного распределения полей температуры
поверхности Балтийского моря и хлорофилла «а» с апреля по октябрь за 2020 и 2021 года 44
3.4. Диаграмма Хофмоллера 63
Заключение 66
Список литературы 69
Одной из наиболее актуальных экологических проблем Балтийского моря является эвтрофикация [1, 2] - процесс повышения биологической
продуктивности и ухудшения качества вод, вызванный избыточным поступление биогенных элементов, прежде всего азота и фосфора, под воздействием антропогенных и естественных факторов [3, 4]. Избыток
питательных веществ приводит к резкому увеличению биомассы фитопланктона и первичной продукции (цветению). В результате прозрачность воды уменьшается, происходит накопление органического вещества, на окисление которого расходуется кислород, что при возникновении стагнации может привести к дефициту кислорода или анаэробным условиям. Изменение газового и светового режимов неизбежно сопровождается структурными изменениями состава сообществ гидробионтов [5].
Сложившаяся ситуация в различных районах Балтийского моря привела к необходимости мониторинга важнейших показателей экологического состояния морской среды [6]. Среди
биологических/экосистемных параметров спутниковый мониторинг в результате косвенных измерений возможен только для фитопланктона [7]. фитопланктон, к которому относятся одноклеточные водоросли (диатомовые, динофлагелляты, кокколитофориды и др.), а также цианобактерии, является первым звеном трофической цепи и основным продуцентом органического вещества в водоемах. Общепризнанным методом оценки биомассы и развития фитопланктона, а также продуктивности водоемов, является определение концентрации хлорофилла «а», основного пигмента фитопланктона, играющего важнейшую роль в процессе фотосинтеза [8].
Цель выпускной квалификационной работы заключается в исследовании особенностей цветения вод Балтийского моря по данным спутникового мониторинга.
Для достижения цели решались следующие задачи:
1. Провести статистический анализ климатической изменчивости биохимических параметров вод Балтийского моря.
2. Построить и проанализировать временные ряды температуры поверхности моря и концентрации хлорофилла «а».
3. Построить и проанализировать пространственные карты температуры поверхности моря и концентрации хлорофилла «а».
4. Построить и проанализировать диаграммы Хофмоллера для температуры поверхности моря и концентрации хлорофилла «а».
продуктивности и ухудшения качества вод, вызванный избыточным поступление биогенных элементов, прежде всего азота и фосфора, под воздействием антропогенных и естественных факторов [3, 4]. Избыток
питательных веществ приводит к резкому увеличению биомассы фитопланктона и первичной продукции (цветению). В результате прозрачность воды уменьшается, происходит накопление органического вещества, на окисление которого расходуется кислород, что при возникновении стагнации может привести к дефициту кислорода или анаэробным условиям. Изменение газового и светового режимов неизбежно сопровождается структурными изменениями состава сообществ гидробионтов [5].
Сложившаяся ситуация в различных районах Балтийского моря привела к необходимости мониторинга важнейших показателей экологического состояния морской среды [6]. Среди
биологических/экосистемных параметров спутниковый мониторинг в результате косвенных измерений возможен только для фитопланктона [7]. фитопланктон, к которому относятся одноклеточные водоросли (диатомовые, динофлагелляты, кокколитофориды и др.), а также цианобактерии, является первым звеном трофической цепи и основным продуцентом органического вещества в водоемах. Общепризнанным методом оценки биомассы и развития фитопланктона, а также продуктивности водоемов, является определение концентрации хлорофилла «а», основного пигмента фитопланктона, играющего важнейшую роль в процессе фотосинтеза [8].
Цель выпускной квалификационной работы заключается в исследовании особенностей цветения вод Балтийского моря по данным спутникового мониторинга.
Для достижения цели решались следующие задачи:
1. Провести статистический анализ климатической изменчивости биохимических параметров вод Балтийского моря.
2. Построить и проанализировать временные ряды температуры поверхности моря и концентрации хлорофилла «а».
3. Построить и проанализировать пространственные карты температуры поверхности моря и концентрации хлорофилла «а».
4. Построить и проанализировать диаграммы Хофмоллера для температуры поверхности моря и концентрации хлорофилла «а».
В данной выпускной квалификационной работе были исследованы и проанализированы особенности цветения вод Балтийского моря по данным спутникового мониторинга и реанализа.
При анализе первичных характеристик выявлен тот факт, что в Ботническом заливе наблюдаются наименьшие медианы практически у всех характеристик. Максимумы таких параметров как содержание хлорофилла «а» и фосфатов не превышает 1. Кроме того, разброс значений в этом заливе также наименьший. Можем сделать вывод, что воды Ботнического залива меньше остальных подвержены климатической или иной изменчивости. Распределение характеристик в Финском и Рижских заливах достаточно схожи. Существенное отличие наблюдается только в концентрации нитратов. Так, в Рижском заливе медиана равна 56.6 ммоль/м3 и максимум 78.9 ммоль/м3, при этом в Финском заливе медиана равна 6.3 ммоль/м3 с максимумом 18.9 ммоль/м3.
Тренды среднемесячных значений температуры оказались незначимые, значит, мы не можем с уверенностью сказать и существенном изменении температуры поверхности Балтийского моря. Из всех биохимических характеристик существенное изменение выявлено только в концентрации нитратов, в этом случае все тренды значимые и отрицательные. Так, в Рижском заливе коэффициент детерминации R2=0.63. Значимых трендов в содержании хлорофилла «а» вовсе нет. Интересно, что тренд концентрации фосфатов в Ботническом заливе отрицательный, а в Финском - положительный, однако в обоих случаях значения концентрации крайне малы.
Корреляционный анализ выявил значимую обратную связь температуры поверхности моря и концентрации фосфатов. Стоит сказать, что практически все коэффициенты корреляции оказались значимые, но при анализе графиков связи стало понятно, что уверенно говорить о связи температуры и биохимическими параметрами нельзя.
Таким образом, для анализа климатической изменчивости биохимических параметров Балтийского моря необходимо учитывать дополнительные факторы, такие как освещенность, осадки, ледовую обстановку и др.
Анализ временного хода температуры поверхности Балтийского моря показал ожидаемую цикличность температуры с минимумами в феврале-марте (1-3 °C) и максимумами в июле-августе (17-21 °C). Значительных отклонений от нормы не наблюдается.
При анализе временного хода концентрации хлорофилла «а» были выявлены аномальные превышения значений в ноябре 2013 года, 2018 года и 2020 года (40 мг/м3). Это аномальная ситуация, которую можно отнести к осеннему цветению, при котором доминируют диатомовые водоросли. Но нельзя забывать о том, что из-за стандартного алгоритма MODIS, могут наблюдаться сильные завышения значений (см. Глава 2). Без сравнения спутниковых данных с судовыми и лабораторными наблюдениями можно лишь предположить, что повышение значений концентрации хлорофилла «а» в ноябре 2013, 2018 и 2020 годов является следствием перемешивания (в результате сильных ветров) и обильного речного стока, с которым приходят биогенные вещества.
Пространственный анализ позволил увидеть следующие особенности: при общем анализе 2020 года можно выделить несколько месяцев, в которых наблюдалось наиболее активное цветение вод (май, июнь, сентябрь). При анализе 2021 года также можно выделить несколько месяцев, в которых наблюдалось наиболее активное цветение вод (апрель, июнь, сентябрь). При этом стоит заметить, что, как и в 2020 году, так и в 2021 году высокие значения наблюдались в следующих районах Балтийского моря: Финский залив, Рижский залив, Куршский залив, Гданьский залив, побережье Ботнического залива и в районе Датских проливов (до 64 мг/м3). Надо отметить, что существенные колебания концентраций хлорофилла «а» происходят преимущественно у берегов (10-64 мг/м3), нежели в открытых районах Балтийского моря. Возможно, это связано с завышением значений стандартными алгоритмами MODIS, вследствие наличия в прибрежных районах большого количества взвешенных веществ, которые приходят с речным стоком.
На диаграмме Хофмоллера для температуры поверхности Балтийского моря можно выделить, что максимум температуры в теплый сезон приходится на 53-54° с.ш. (24-27°C), а минимум в холодный период на 60-64° с.ш. (0-3°C).
При анализе диаграммы Хофмоллера можно выделить широты, где значения концентрации хлорофилла «а» были максимальны во все года: 54°с.ш. (20-64 мг/м3), 59,5-60,5°с.ш. (20-40 мг/м3), 63,5°с.ш. (15-30 мг/м3). Минимум значений приходится на 66°с.ш. (<1 мг/м3).
При анализе первичных характеристик выявлен тот факт, что в Ботническом заливе наблюдаются наименьшие медианы практически у всех характеристик. Максимумы таких параметров как содержание хлорофилла «а» и фосфатов не превышает 1. Кроме того, разброс значений в этом заливе также наименьший. Можем сделать вывод, что воды Ботнического залива меньше остальных подвержены климатической или иной изменчивости. Распределение характеристик в Финском и Рижских заливах достаточно схожи. Существенное отличие наблюдается только в концентрации нитратов. Так, в Рижском заливе медиана равна 56.6 ммоль/м3 и максимум 78.9 ммоль/м3, при этом в Финском заливе медиана равна 6.3 ммоль/м3 с максимумом 18.9 ммоль/м3.
Тренды среднемесячных значений температуры оказались незначимые, значит, мы не можем с уверенностью сказать и существенном изменении температуры поверхности Балтийского моря. Из всех биохимических характеристик существенное изменение выявлено только в концентрации нитратов, в этом случае все тренды значимые и отрицательные. Так, в Рижском заливе коэффициент детерминации R2=0.63. Значимых трендов в содержании хлорофилла «а» вовсе нет. Интересно, что тренд концентрации фосфатов в Ботническом заливе отрицательный, а в Финском - положительный, однако в обоих случаях значения концентрации крайне малы.
Корреляционный анализ выявил значимую обратную связь температуры поверхности моря и концентрации фосфатов. Стоит сказать, что практически все коэффициенты корреляции оказались значимые, но при анализе графиков связи стало понятно, что уверенно говорить о связи температуры и биохимическими параметрами нельзя.
Таким образом, для анализа климатической изменчивости биохимических параметров Балтийского моря необходимо учитывать дополнительные факторы, такие как освещенность, осадки, ледовую обстановку и др.
Анализ временного хода температуры поверхности Балтийского моря показал ожидаемую цикличность температуры с минимумами в феврале-марте (1-3 °C) и максимумами в июле-августе (17-21 °C). Значительных отклонений от нормы не наблюдается.
При анализе временного хода концентрации хлорофилла «а» были выявлены аномальные превышения значений в ноябре 2013 года, 2018 года и 2020 года (40 мг/м3). Это аномальная ситуация, которую можно отнести к осеннему цветению, при котором доминируют диатомовые водоросли. Но нельзя забывать о том, что из-за стандартного алгоритма MODIS, могут наблюдаться сильные завышения значений (см. Глава 2). Без сравнения спутниковых данных с судовыми и лабораторными наблюдениями можно лишь предположить, что повышение значений концентрации хлорофилла «а» в ноябре 2013, 2018 и 2020 годов является следствием перемешивания (в результате сильных ветров) и обильного речного стока, с которым приходят биогенные вещества.
Пространственный анализ позволил увидеть следующие особенности: при общем анализе 2020 года можно выделить несколько месяцев, в которых наблюдалось наиболее активное цветение вод (май, июнь, сентябрь). При анализе 2021 года также можно выделить несколько месяцев, в которых наблюдалось наиболее активное цветение вод (апрель, июнь, сентябрь). При этом стоит заметить, что, как и в 2020 году, так и в 2021 году высокие значения наблюдались в следующих районах Балтийского моря: Финский залив, Рижский залив, Куршский залив, Гданьский залив, побережье Ботнического залива и в районе Датских проливов (до 64 мг/м3). Надо отметить, что существенные колебания концентраций хлорофилла «а» происходят преимущественно у берегов (10-64 мг/м3), нежели в открытых районах Балтийского моря. Возможно, это связано с завышением значений стандартными алгоритмами MODIS, вследствие наличия в прибрежных районах большого количества взвешенных веществ, которые приходят с речным стоком.
На диаграмме Хофмоллера для температуры поверхности Балтийского моря можно выделить, что максимум температуры в теплый сезон приходится на 53-54° с.ш. (24-27°C), а минимум в холодный период на 60-64° с.ш. (0-3°C).
При анализе диаграммы Хофмоллера можно выделить широты, где значения концентрации хлорофилла «а» были максимальны во все года: 54°с.ш. (20-64 мг/м3), 59,5-60,5°с.ш. (20-40 мг/м3), 63,5°с.ш. (15-30 мг/м3). Минимум значений приходится на 66°с.ш. (<1 мг/м3).
